本發(fā)明涉及室溫太赫茲探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種石墨烯太赫茲探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

太赫茲(Terahertz)泛指頻率在0.1～10THz波段內(nèi)的電磁波，介于紅外頻段與微波頻段之間，相比于紅外輻射與微波波段的電磁波，其具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，如可穿透性、低能性、寬帶性、高空間的時(shí)間相干性等，這使它在天體物理學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、光譜與成像技術(shù)、信息科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的技術(shù)應(yīng)用。其中太赫茲探測(cè)成像技術(shù)是太赫茲技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

太赫茲探測(cè)技術(shù)包括太赫茲相干探測(cè)方法及非相干探測(cè)方法。常見(jiàn)的太赫茲脈沖相干探測(cè)方法有光電導(dǎo)取樣、電光取樣、外差探測(cè)及空氣等離子探測(cè)等方法；太赫茲非相干探測(cè)器件包括基于光熱效應(yīng)的微測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電探測(cè)器、高萊探測(cè)器以及基于光電效應(yīng)的肖特基二極管、場(chǎng)效應(yīng)管及量子阱探測(cè)器等。具有微橋結(jié)構(gòu)的太赫茲探測(cè)器具有室溫探測(cè)、陣列化、簡(jiǎn)單易攜且與紅外探測(cè)器、工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)今發(fā)展的主流。

傳統(tǒng)的具有微橋結(jié)構(gòu)的太赫茲探測(cè)器是對(duì)紅外探測(cè)器的延伸應(yīng)用，但相比于紅外輻射，太赫茲輻射的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，能量更低，導(dǎo)致傳統(tǒng)的太赫茲探測(cè)器對(duì)太赫茲輻射能量吸收較低，探測(cè)性能也相應(yīng)的受到影響。為了提高太赫茲探測(cè)器的性能，目前提出了一些改進(jìn)，包括：從多角度多微橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如設(shè)計(jì)新型的微橋橋腿，如“I”型、“L”型、“S”型；將單層微橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙層結(jié)構(gòu)，提高器件占空比；改進(jìn)探測(cè)器敏感材料，選用新型材料作為探測(cè)器敏感層；2008年，日本NEC公司(Naoki Oda,et al.“Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser,using vanadium oxide micro-bolometer focal plane arrays”[C].Proc.of SPIE,2008,6940:69402Y-1-6940Y-12)通過(guò)在傳統(tǒng)的基于VO_x熱敏材料的微橋結(jié)構(gòu)頂層增加一層金屬吸收層以提高微橋?qū)μ掌澼椛涞奈章?。這些改進(jìn)對(duì)太赫茲探測(cè)器的性能有一定提升，但工藝復(fù)雜，制備條件嚴(yán)格。

石墨烯(graphene)是由碳原子按六邊形蜂窩狀排列形成的單層二維平面晶體材，其單原子層厚度僅有0.335nm，是目前已知最薄的晶體材料。由于其特殊的原子排列及能帶結(jié)構(gòu)，使其具有一系列獨(dú)特性質(zhì)，如極高的機(jī)械性能，良好的導(dǎo)電性及優(yōu)異的導(dǎo)熱性等，自2004年Novoselov和Geim的團(tuán)隊(duì)用機(jī)械剝離法制備出室溫存在的單層石墨烯以來(lái)，其已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。由于石墨烯具有很高的室溫載流子遷移率(2×10⁵cm²/Vs，是硅的100倍)及特殊的零禁帶寬度結(jié)構(gòu)，利用石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為太赫茲探測(cè)器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速、寬頻帶太赫茲探測(cè)器，具有極大的應(yīng)用前景。石墨烯對(duì)太赫茲輻射的響應(yīng)有兩種機(jī)理：一種是等離子體波模式；另一種是熱輻射模式。但同時(shí)，采用石墨烯作為敏感材料存在的問(wèn)題在于石墨烯對(duì)太赫茲輻射的吸收較低，一般為2.3％左右，限制了石墨烯作為太赫茲探測(cè)器敏感層的性能。

因此，如何提高采用石墨烯作為敏感材料的太赫茲探測(cè)器的太赫茲輻射吸收率是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種石墨烯太赫茲探測(cè)器及其制備方法，能夠解決現(xiàn)階段太赫茲探測(cè)器存在的對(duì)太赫茲輻射吸收率低和響應(yīng)低的問(wèn)題，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于陣列化等優(yōu)點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種石墨烯太赫茲探測(cè)器，包括：硅襯底層；底部鈍化層，所述底部鈍化層形成于所述硅襯底層上；金屬反射層，所述金屬反射層形成于所述底部鈍化層上；微橋支撐層，所述微橋支撐層跨接在所述金屬反射層兩側(cè)的所述底部鈍化層上，且所述微橋支撐層與所述底部鈍化層之間形成微橋空腔，所述金屬反射層位于所述微橋空腔內(nèi)；石墨烯薄膜層，所述石墨烯薄膜層形成于所述微橋支撐層的頂面；電極層，所述電極層形成于所述微橋支撐層的側(cè)面，且所述電極層的一端電性連接所述石墨烯薄膜層，另一端連接所述底部鈍化層；橋腿鈍化層，所述橋腿鈍化層形成于所述電極層上；金屬圖形層，所述金屬圖形層形成于所述石墨烯薄膜層上；其中，所述微橋空腔、所述微橋支撐層以及所述石墨烯薄膜層構(gòu)成復(fù)合介質(zhì)層，所述金屬反射層、所述復(fù)合介質(zhì)層和所述金屬圖形層共同構(gòu)成超材料結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述石墨烯薄膜層的厚度為0.3～10nm。

優(yōu)選地，所述金屬圖形層的形狀為中心對(duì)稱的十字架形，所述金屬圖形層的材料為Al、Au、Ni或NiCr中的一種，所述金屬圖形層的厚度為0.05～0.5μm。

優(yōu)選地，所述十字架形的邊長(zhǎng)為10～100μm，線寬為1～6μm。

優(yōu)選地，所述底部鈍化層、所述微橋支撐層和所述橋腿鈍化層的材料為氮化硅或氧硅，所述底部鈍化層的厚度為0.02～1μm。

優(yōu)選地，所述金屬反射層的厚度為0.05～0.5μm。

優(yōu)選地，所述電極層的厚度為0.02～1μm。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的另一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種石墨烯太赫茲探測(cè)器的制備方法，所述制備方法包括：提供硅襯底層，清洗所述硅襯底層并吹干后在所述硅襯底層上沉積得到底部鈍化層；在所述底部鈍化層上沉積得到金屬反射層，并在所述金屬反射層上光刻出橋面圖狀；在所述底部鈍化層上旋涂包覆所述金屬反射層的聚酰亞胺光刻膠得到微橋犧牲層，并對(duì)所述微橋犧牲層進(jìn)行熱固化處理；在所述微橋犧牲層上沉積得到微橋支撐層，并在所述微橋支撐層的兩側(cè)面上刻蝕出電極圖形；在微橋支撐層的頂面轉(zhuǎn)移得到石墨烯薄膜層，并在所述石墨烯薄膜層上刻蝕出所述橋面圖形；在所述微橋支撐層的電極圖形上沉積得到電極層；在所述石墨烯薄膜層的橋面圖形上沉積得到金屬圖形層；在所述電極層上沉積得到橋腿鈍化層；對(duì)所述微橋犧牲層進(jìn)行釋放處理，以在所述微橋支撐層與所述底部鈍化層之間形成微橋空腔。

優(yōu)選地，所述微橋犧牲層的厚度為0.5～5μm。

區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)底部的金屬反射層、由微橋空腔、微橋支撐層以及石墨烯薄膜層構(gòu)成位于中間的復(fù)合介質(zhì)層和頂部的金屬圖形層共同構(gòu)成超材料結(jié)構(gòu)，超材料結(jié)構(gòu)可以使得對(duì)目標(biāo)頻點(diǎn)的太赫茲輻射吸收率接近100％，同時(shí)石墨烯薄膜層又作為微測(cè)輻射熱計(jì)的敏感層，入射的太赫茲輻射被金屬圖形層吸收傳導(dǎo)至石墨烯薄膜層，在偏置電壓的作用下產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)輸出，進(jìn)而探測(cè)到太赫茲輻射，從而能夠解決現(xiàn)階段太赫茲探測(cè)器存在的對(duì)太赫茲輻射吸收率低和響應(yīng)低的問(wèn)題，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于陣列化等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯太赫茲探測(cè)器的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯太赫茲探測(cè)器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯太赫茲探測(cè)器的超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲輻射吸收曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參閱圖1和圖2。本發(fā)明實(shí)施例石墨烯太赫茲探測(cè)器包括硅襯底層10、底部鈍化層11、金屬反射層12、微橋支撐層21、石墨烯薄膜層22、電極層23、橋腿鈍化層24和金屬圖形層25。

底部鈍化層11形成于硅襯底層10上。在本實(shí)施例中，底部鈍化層11、微橋支撐層21和橋腿鈍化層24的材料均為氮化硅或氧硅，底部鈍化層11的厚度為0.02～1μm。

金屬反射層12形成于底部鈍化層11上。在本實(shí)施例中，金屬反射層12的材料為Al、Au、Ni或NiCr等金屬中的一種，金屬反射層12的厚度為0.05～0.5μm。

微橋支撐層21跨接在金屬反射層12兩側(cè)的底部鈍化層11上，且微橋支撐層21與底部鈍化層11之間形成微橋空腔20，金屬反射層12位于微橋空腔20內(nèi)。

石墨烯薄膜層22形成于微橋支撐層21的頂面。在本實(shí)施例中，石墨烯薄膜層的厚度為0.3～10nm。

電極層23形成于微橋支撐層21的側(cè)面，且電極層23的一端電性連接石墨烯薄膜層22，另一端連接底部鈍化層11。在本實(shí)施例中，電極層23的厚度為0.02～1μm。

金屬圖形層25形成于石墨烯薄膜層22上。在本實(shí)施例中，金屬圖形層25的形狀為中心對(duì)稱的十字架形，金屬圖形層25的材料為Al、Au、Ni或NiCr等金屬中的一種，金屬圖形層25的厚度為0.05～0.5μm。進(jìn)一步地，十字架形的邊長(zhǎng)為10～100μm，線寬為1～6μm。通過(guò)調(diào)整十字架形的尺寸可以使得微測(cè)輻射熱計(jì)在目標(biāo)頻點(diǎn)附近有高的太赫茲輻射吸收率，在本實(shí)施例中十字架形的邊長(zhǎng)優(yōu)選為48μm，線寬為3μm，微橋單元周期為60μm。

其中，微橋空腔20、微橋支撐層21以及石墨烯薄膜層22構(gòu)成復(fù)合介質(zhì)層，金屬反射層12、復(fù)合介質(zhì)層和金屬圖形層25共同構(gòu)成超材料結(jié)構(gòu)。石墨烯薄膜層22又作為微測(cè)輻射熱計(jì)的敏感層，入射的太赫茲輻射被金屬圖形層25吸收傳導(dǎo)至石墨烯薄膜層22，在偏置電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)輸出，進(jìn)而探測(cè)到太赫茲輻射。而超材料結(jié)構(gòu)是由周期或非周期的亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)組成的新型人工材料，由頂層的周期性金屬結(jié)構(gòu)層、中間介質(zhì)層及底部的連續(xù)金屬薄膜反射層構(gòu)成，其基本工作原理是入射電磁波在空氣-表面金屬結(jié)構(gòu)界面及底部反射面的多次反射折射引起的相消干涉。通過(guò)調(diào)整超材料結(jié)構(gòu)的圖形、結(jié)構(gòu)參數(shù)及介質(zhì)層材料厚度等參數(shù)可以調(diào)節(jié)諧振峰的位置及相應(yīng)的吸收率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)頻點(diǎn)的太赫茲輻射吸收率接近100％。

本發(fā)明實(shí)施例還提供一種石墨烯太赫茲探測(cè)器的制備方法，該制備方法包括以下步驟：

S1：提供硅襯底層，清洗硅襯底層并吹干后在所述硅襯底層上沉積得到底部鈍化層。

清洗硅襯底層后，通過(guò)吹干可以去除表面吸附的水汽，增強(qiáng)硅襯底層表面粘附力。底部鈍化層可以采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積一層厚度為0.2μm的氮化硅薄膜得到。

S2：在底部鈍化層上沉積得到金屬反射層，并在金屬反射層上光刻出橋面圖狀。

橋面圖狀可以采用濕法腐蝕法得到。

S3：在底部鈍化層上旋涂包覆金屬反射層的聚酰亞胺光刻膠得到微橋犧牲層，并對(duì)微橋犧牲層進(jìn)行熱固化處理。

微橋犧牲層的厚度為0.5～5μm，在本實(shí)施例中，優(yōu)選為3μm。

S4：在微橋犧牲層上沉積得到微橋支撐層，并在微橋支撐層的兩側(cè)面上刻蝕出電極圖形。

微橋支撐層同樣可以采用PECVD得到，電極圖形可以采用光刻膠剝離工藝得到。

S5：在微橋支撐層的頂面轉(zhuǎn)移得到石墨烯薄膜層，并在石墨烯薄膜層上刻蝕出橋面圖形。

S6：在微橋支撐層的電極圖形上沉積得到電極層。

電極層的沉積金屬優(yōu)選為NiCr。

S7：在石墨烯薄膜層的橋面圖形上沉積得到金屬圖形層。

金屬圖形層也可以采用光刻膠剝離工藝得到。

S8：在電極層上沉積得到橋腿鈍化層。

S9：對(duì)微橋犧牲層進(jìn)行釋放處理，以在微橋支撐層與底部鈍化層之間形成微橋空腔。

金屬圖形層與由微橋空腔、微橋支撐層以及石墨烯薄膜層構(gòu)成復(fù)合介質(zhì)層以及金屬反射層共同構(gòu)成超材料結(jié)構(gòu)。

采用本發(fā)明實(shí)施例的制備方法得到的石墨烯太赫茲探測(cè)器，可以大幅提高太赫茲輻射吸收率，參閱圖3，由圖中易知在2.52THz附近，該石墨烯太赫茲探測(cè)器的超材料結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲輻射的吸收率接近100％，極大的提高了太赫茲輻射的吸收率。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。